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Revista Iberoamericana de Tecnología
Postcosecha
ISSN: 1665-0204
Asociación Iberoamericana de
Tecnología Postcosecha, S.C.
México
EsquivelGonzález, B.E.; Ochoa Martínez, L.A.; Rutiaga-Quiñones, O.M.
Microencapsulación mediante secado por aspersión de compuestos bioactivos
Revista Iberoamericana de Tecnología Postcosecha, vol. 16, núm. 2, 2015, pp. 180-192
Asociación Iberoamericana de Tecnología Postcosecha, S.C.
Hermosillo, México
Disponible en: http://www.redalyc.org/articulo.oa?id=81343176006
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Proyecto académico sin fines de lucro, desarrollado bajo la iniciativa de acceso abierto
Microencapsulación mediante secado… Esquivel-González B.E. y cols. (2015)
Rev. Iber. Tecnología Postcosecha Vol 16(2):180-192 180
MICROENCAPSULACIÓN MEDIANTE SECADO POR ASPERSIÓN DE COMPUESTOS BIOACTIVOS
Esquivel-‐González B.E., Ochoa Martínez L.A.* y Rutiaga-‐Quiñones O.M.
Instituto Tecnológico de Durango. Departamento de Ingenierías Química y Bioquímica. Blvd. Felipe Pescador 1830 Ote. Colonia Nueva Vizcaya, 34080 Durango Dgo., México. Tel: +52 (618) 8186936. email: [email protected]. *Autor para correspondencia Palabras clave: microencapsulación, secado por aspersión, compuestos bioactivos.
RESUMEN La microencapsulación es un proceso que se usa para convertir líquidos en sólidos, agregar funcionalidad y mejorar la estabilidad oxidativa de alimentos y extractos e ingredientes alimenticios. Entre sus principales ventajas, se encuentra: enmascarar sabores y olores desagradables de los productos encapsulados, proteger los compuestos bioactivos de oxidación y de reacciones indeseables, así como de condiciones adversas de luz, calor y gases, además de alargar su vida útil. Aunque existe un considerable número de técnicas que permiten realizar el proceso de microencapsulación, el secado por aspersión es un proceso ampliamente utilizado en la industria de alimentos debido a las ventajas que presenta, especialmente cuando se desea proteger aquellos compuestos que presentan una actividad antioxidante y que se encuentran dentro de una matriz alimentaria. Las frutas y vegetales son fuentes importantes de compuestos bioactivos cuyos beneficios a la salud se ha documentado ampliamente, principalmente debido a la actividad antioxidante que poseen. Sin embargo su perecibilidad hace necesaria la aplicación de procesos de conservación que permitan mantener los compuestos de interés y alargar su vida de anaquel. Esta revisión aborda el proceso de secado por aspersión como técnica de encapsulación, incluyendo principalmente sobre los materiales encapsulantes y las diferentes etapas del proceso. Posteriormente se revisa sobre la microencapsulación de compuestos bioactivos como betalaínas, polifenoles, carotenoides y antocianinas.
MICROENCAPSULATION OF BIOACTIVE COMPOUNDS BY SPRAY DRYING Key words: microencapsulation, spray drying, bioactive compounds
ABSTRACT The microencapsulation process is used to convert liquids in solids, to add functionality and to improve the oxidative satability of food and food extracts and ingredients. The main advantages of this technique are to hide flavors and undesirable odors from the encapsulated material, protect bioactive compounds from oxidative reactions, and from environmental conditions like heat, light and gases, as well as to enhance the shelf life. There are several techniques that allow to encapsulate materials, however, spray drying is the most widely used in the food industry due to the advantages presented, especially when it is desirable to protect bioactive compounds from a food matrix having a potential as antioxidant. Fruits and vegetables are important sources of bioactive compounds and their health benefits are well documented, mainly due to the antioxidant activity. However, due to their perishability, it is necessary to apply any kind of processes to allow the conservation of compounds of interest and to extend the shelf life. This review deals about the spray drying as a microencapsulating method, mainly including about encapsulating materials and the steps of the method. Then, it includes about the microencapsulation of bioactive compounds such as, betalains, poliphenols, carotenoids and anthocyanins. INTRODUCCIÓN
La microencapsulación se define como una tecnología de empaque de materiales sólidos, líquidos o gaseosos en miniatura, cápsulas selladas que pueden liberar su
contenido a velocidades controladas bajo condiciones específicas. Esta tecnología se ha utilizado en la industria de alimentos por más de sesenta años a la fecha. En un sentido amplio, la tecnología de encapsulación en el
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procesamiento de alimentos incluye el recubrimiento de partículas diminutas de ingredientes (por ejemplo, acidulantes, grasas y sabores), así como ingredientes enteros (pasas, nueces y productos de confitería), que pueden llevarse a cabo mediante técnicas de microencapsulación y macrorevestimiento respectivamente (Desay y Park, 2005).
El proceso de microencapsulación involucra el revestimiento o atrapamiento de un material puro o una mezcla dentro de otro material, formando una cápsula cuyo tamaño aproximado varía de 5 a 300 micrones de diámetro. El material a proteger es generalmente un líquido pero también puede ser un sólido o un gas, el cual es conocido como material núcleo, activo, fase interna o carga útil. El material de revestimiento es llamado cápsula, material pared, membrana, acarreador o caparazón (Gibbs et al., 1999). El propósito de la microencapsulación es proteger su contenido contra el medio ambiente circundante, particularmente, humedad, pH y oxidación. La liberación del contenido de la micropartícula a velocidades controladas puede ser desencadenada por cizallamiento, solubilización, calor, pH o acción enzimática (Nesterenko et al., 2013). Las frutas y vegetales poseen una amplia y variada gama de compuestos bioactivos cuyos beneficios a la salud se ha documentado ampliamente, principalmente debido a la actividad antioxidante que poseen. Sin embargo su perecibilidad hace necesaria la aplicación de procesos de conservación que permitan mantener los compuestos de interés y alargar su vida de anaquel. En esta revisión se abordan tópicos referentes al secado por aspersión como principal técnica de encapsulación de productos alimenticios, tipos de materiales encapsulantes y estructura de las microcápsulas obtenidas, abordando las etapas de secado y los parámetros de influencia en este proceso. Finalmente, se revisa la aplicación del secado por aspersión en la conservación de diferentes compuestos,
tal como betalainas, polifenoles, carotenoides y antocianinas. TÓPICOS 1. Técnicas de microencapsulación
Elegir una técnica de microencapsulación para un proceso particular dependerá del tamaño, biocompatibilidad y biodegradabilidad de las micropartículas, las propiedades fisicoquímicas del material núcleo y pared, la aplicación de las micropartícula, el mecanismo propuesto para liberar el núcleo activo y el costo del proceso.
Se pueden utilizar varios procesos para obtener ingredientes encapsulados: secado por aspersión, spray cooling/chilling, lecho fluidizado, separación de fase (coacervación), gelación, evaporación de solvente, expansión de fluido supercrítico, polimerización interfacial (policondensación), polimerización en emulsión, atrapamiento de liposoma, separación por suspensión centrífuga, liofilización, cocristalización y extrusión (Nesterenko et al., 2013; Fang y Bhandari, 2010).
Particularmente en la industria de alimentos, la microencapsulación se emplea por las siguientes razones: 1. Reducir la reactividad del ingrediente
activo con los factores ambientales 2. Disminuir la tasa de transferencia del
material núcleo al entorno exterior 3. Promover un manejo más fácil del producto
al modificar las características físicas del material original
4. Enmascarar algún aroma o sabor indeseable del ingrediente activo
5. Diluir el material núcleo cuando debe ser usado en pequeñas cantidades
6. Controlar la liberación del ingrediente activo a través del tiempo o en un momento en particular (Gharsallaoui et al., 2007; Fang y Bhandari, 2010). Aunque se han desarrollado muchas
técnicas para microencapsular ingredientes de alimentos, el secado por aspersión es la
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tecnología más comúnmente usada en la industria de alimentos debido a su bajo costo y equipo disponible (Gharsallaoui et al., 2007).
Al disminuir el contenido y la actividad de agua, el secado por aspersión generalmente se usa en la industria de alimentos para asegurar la estabilidad de productos, evitar el riesgo de degradaciones químicas y biológicas, reducir los costos de transporte y almacenamiento y finalmente para obtener un producto con propiedades específicas como solubilidad instantánea.
Ésta técnica es la más común y económica para producir alimentos microencapsulados. El equipo es fácilmente disponible y sus costos de producción son más bajos que otros métodos. Comparado con liofilización, el método de secado por aspersión es de 30 a 50 veces más económico. (Gharsallaoui et al., 2007; Pitalua et al., 2010)
1.1 Secado por aspersión
El secado por aspersión es una operación unitaria mediante la cual un producto líquido es atomizado en una corriente de gas caliente para obtener un polvo instantáneamente. El gas generalmente usado es aire y más raramente un gas inerte como nitrógeno. El líquido inicial alimentado al aspersor puede ser una solución, una emulsión o una suspensión. Dependiendo del material inicial alimentado y de las condiciones de operación, el secado por aspersión produce un polvo muy fino (10-‐50µm) o partículas de tamaño grande (2-‐3mm) (Gharsallaoui et al, 2007); razón por la cual es una técnica común para producir encapsulados de alimentos (Ferrari et al., 2012; Medina-‐Torres et al., 2013; Ahmed et al., 2010).
La calidad de los polvos producidos por secado mediante aspersión depende de las características de la solución alimentada (viscosidad, velocidad de flujo, etc), el aire de secado (temperatura, presión y flujo), contacto entre el aire caliente y las gotas en la cámara de secado (flujo en corrientes
paralelas o contra corriente), así como el tipo de atomizador utilizado (Ferrari et al., 2012). Se considera una microencapsulación eficiente mediante secado por aspersión cuando se alcanza una máxima cantidad de material núcleo dentro de las partículas de polvo, una buena estabilidad de las microcápsulas, prevención de pérdida de compuestos volátiles, y una extensión de la vida útil del producto. Por lo cual resulta importante conocer las características del material a secar así como las especificaciones deseadas del polvo (Medina-‐Torres et al., 2013). La conveniencia del uso de esta técnica radica en los tiempos cortos de producción, la factibilidad económica y el uso de bajas temperaturas lo cual es un parámetro crucial para aquellos productos sensibles al calor, debido a que promueve una alta retención de sabor, color y nutrientes (Ferrari et al., 2012; Ahmed et al., 2010) 1.1.1 Etapas del secado por aspersión
Durante el secado por aspersión se pueden distinguir las siguientes etapas:
Atomización.-‐ La atomización líquida en pequeñas gotas se puede llevar a cabo por presión o energía centrífuga. Los atomizadores usados incluyen atomizador neumático, boquilla de presión, configuraciones de discos giratorios y recientemente dos boquillas y boquilla sónica. El objetivo de esta etapa es crear la máxima superficie de transferencia de calor entre el aire seco y el líquido para optimizar la transferencia de masa y calor. La elección de la configuración del atomizador depende de la naturaleza y la viscosidad de la alimentación y las características deseadas del producto seco. Cuanto mayor sea la energía suministrada, más finas serán las gotas formadas. Para la misma cantidad de energía, el tamaño de las partículas formadas aumenta cuando se incrementa la velocidad de alimentación. Sin embargo, el tamaño de las partículas aumenta cuando la viscosidad y la tensión superficial del líquido inicial son grandes.
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Contacto de gota-‐aire caliente.-‐ Este contacto toma lugar durante la atomización y se inicia la etapa de secado. De acuerdo al sitio o lugar donde se encuentra localizado el atomizador comparado con el aspersor de aire caliente, se puede distinguir en sentido de la corriente (paralela) y en contracorriente. En el primero, el líquido es asperjado en la misma dirección de flujo de aire caliente, cuya temperatura de entrada es típicamente 150-‐220°C, la evaporación ocurre instantáneamente y cada polvo seco será expuesto a una temperatura de salida moderada de (50-‐80°C), la cual es el límite de degradación térmica. Mientras que en el proceso a contra corriente, el líquido es asperjado en dirección contraria al flujo de aire caliente, para lo cual el producto seco es expuesto a altas temperaturas, lo cual limita su aplicación a productos termosensibles. Sin embargo la principal ventaja del proceso a contra corriente es que se considera más económico en términos de consumo de energía.
Evaporación de agua .-‐ Al momento en que ocurre el contacto de las gotas de líquido con el aire caliente, se establece el balance de temperatura y presión parcial de vapor entre las fases líquido y gas. Por lo tanto la transferencia de calor se lleva a cabo del aire hacia el producto como resultado de la diferencia de temperatura mientras que la transferencia de agua se lleva a cabo en sentido opuesto debido a la diferencia de la presión de vapor.
Con base en el fundamento teórico de secado, se pueden distinguir tres pasos sucesivos. Justo después del contacto del líquido con el aire caliente, la transferencia de calor causa el incremento de temperatura de las gotas hasta un valor constante. Este valor se define como la temperatura de bulbo húmedo de aire de secado, después de eso, se lleva a cabo la evaporación de las gotas a temperatura constante y a la presión parcial de vapor de agua. La velocidad de difusión de
agua desde el núcleo de la gota hasta su superficie se considera constante e igual a la velocidad de evaporación. Finalmente, cuando el contenido de agua de la gota alcanza un valor crítico, se forma una corteza seca en la superficie de la gota y la velocidad de secado disminuye rápidamente y se vuelve dependiente de la velocidad de difusión de agua a través de la corteza. El secado se termina teóricamente cuando la temperatura de la partícula es igual que la del aire.
Estos tres pasos tienen diferente duración dependiendo de la naturaleza del producto y de la temperatura de entrada. De hecho, si la temperatura de entrada es alta, la corteza seca se forma rápidamente debido a la alta velocidad de evaporación de agua.
En la primera etapa, el gas caliente provoca un aumento en la temperatura de la gota, lo cual promueve la evaporación de la superficie de la gota y un consecuente encogimiento de la misma. La migración rápida del agua de la superficie de la gota mantiene una velocidad de evaporación constante.
Separación del producto seco y aire húmedo.-‐ Esta separación se hace a través de un ciclón colocado fuera de la cámara de secado, lo cual reduce las pérdidas del producto a la atmósfera: las partículas de mayor densidad son recuperadas en la base de la cámara de secado, mientras que las finas pasan a través del ciclón para ser separadas del aire húmedo. Además de los ciclones, los secadores por aspersión comúnmente están equipados con filtros, usados para remover los polvos finos y lavadores químicos para remover el polvo restante o cualquier compuesto volátil. Los polvos obtenidos están hechos de partículas que se originan a partir de gotas esféricas tras contraerse. Dependiendo de la composición, el contenido de gas de la gota, estas partículas pueden ser compactas o huecas (Gharsallaoui et al., 2007).
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1.1.2 Parámetros de secado Los principales factores que deben ser
optimizados en secado por aspersión son la temperatura de alimentación, temperatura de entrada y salida de aire.
Temperatura de alimentación.-‐ La temperatura de alimentación modifica la viscosidad de la emulsión y por lo tanto su capacidad de ser homogéneamente asperjada. Cuando la temperatura de alimentación se incrementa, la viscosidad y tamaño de gota puede disminuir, pero a altas temperaturas puede ocurrir una volatilización o degradación de algunos ingredientes sensibles al calor. La velocidad de alimentación suministrada al atomizador se ajusta para asegurar que cada gota asperjada alcance los niveles de secado deseados antes de que se ponga en contacto con la superficie de la cámara de secado.
Temperatura de aire de entrada.-‐ La temperatura del aire de entrada se determina por la temperatura que puede ser usada sin producir un daño al producto o crear riesgos en la operación. La temperatura de aire de entrada es directamente proporcional a la velocidad de secado de las microcápsulas y al contenido de agua final. Una temperatura baja de aire de entrada provoca una baja velocidad de evaporación, una deformación de las microcápsulas con alta densidad, alto contenido de agua, poca fluidez y serán susceptibles a aglomerarse. Sin embargo una temperatura alta de aire de entrada provoca una evaporación excesiva y resulta en el rompimiento de la membrana, induciendo una subsecuente liberación prematura así como una degradación del ingrediente encapsulado y una pérdida de volátiles.
Temperatura de aire de salida.-‐ La temperatura en la zona final de secado o temperatura de salida de aire se considera como un parámetro de control del secador, la cual depende de la temperatura de entrada y se ha reportado que varía de 50 a 80°C para microencapsulación de ingredientes de
alimentos con compuestos fenólicos como de té verde (Medina-‐Torres et al., 2013).
1.2 Materiales microencapsulantes
El material pared particularmente afecta la estabilidad de las micropartículas, la eficiencia del proceso y el grado de protección del núcleo activo. Los materiales comúnmente usados en la composición de ingredientes encapsulados, son polímeros sintéticos y co-‐polímeros, biomateriales tales como carbohidratos, grasas, ceras y proteínas de origen animal y vegetal. En la industria farmacéutica se utilizan polímeros derivados del petróleo como una matriz para la preparación de micropartículas, tales como poliestirenos, poliamidas, poliuretanos, poliacrilatos, polímeros fenólicos, y polietilenglicol (Nesterenko et al., 2013). Por otra parte en la industria alimenticia, numerosos materiales pared o agentes encapsulantes están disponibles para su aplicación en la microencapsulación dentro los cuales se encuentran: algunas gomas, azúcares, polisacáridos naturales y modificados así como polímeros sintéticos (Bakowska-‐Barczak y Kolodziejczyk, 2011; Fang y Bhandari, 2010).
La funcionalización de cadenas poliméricas de los materiales pared hace posible obtener micropartículas con nuevas propiedades, diferentes de aquellas obtenidas con otros materiales pared, por ejemplo la resistencia a la acción de agentes químicos. Los polisacáridos estudiados como matriz para microencapsulación son almidones, maltodextrina, goma arábiga, pectina, quitosán y alginatos. Las principales ventajas de estos biopolímeros son su buena solubilidad en agua y su baja viscosidad a altas concentraciones, comparada con las proteínas. A menudo los carbohidratos se mezclan con proteínas para mejorar las propiedades de emulsificación y filmógenas durante la microencapsulación (Nesterenko et al., 2013).
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Actualmente las maltodextrinas son usadas solas o en combinación con otros materiales en alimentos, extractos de plantas, aditivos aromáticos, carotenoides y vitaminas, ya que presentan distintas funciones como son: espesante, propiedades de formación de película, retención de sabores, además de jugar un papel importante en la reducción de la permeabilidad del oxígeno del material pared (Sansone et al., 2011). 1.2.1 Estructura de las microcápsulas
En su forma más simple, una microcápsula es una esfera pequeña con una pared uniforme rodeándola, cuyo diámetro puede variar de algunos micrones a pocos milímetros (Nesterenko et al., 2013; Fang y Bhandari, 2010). Prácticamente, el núcleo puede ser un material cristalino, una partícula adsorbente, una emulsión, una suspensión de sólidos, o una suspensión de microcápsulas más pequeñas.
Dependiendo de la tecnología de proceso utilizada para producir microcápsulas, así como material núcleo y pared del cual se formará, se pueden producir muchas morfologías, pero las dos principales son: cápsula mononuclear, la cual tiene un solo núcleo envuelto por una capa, mientras que los otros son agregados, es decir muchos núcleos envueltos en una matriz. (Fang y Bhandari, 2010; Gharsallaoui et al., 2007; Nesterenko et al., 2013; Nazzaro et al., 2012). También se pueden producir microcápsulas con múltiples paredes o capas. En la siguiente figura se presentan diferentes tipos de morfologías de distintas microcápsulas, observadas por Gibbs et al. (1999).
Se observa una esfera simple rodeada por un recubrimiento de espesor uniforme, una pared o membrana de forma irregular, algunas partículas de núcleo incrustadas en una matriz continua de material pared, una estructura multipared (Gibbs et al., 1999).
Figura 1. Morfología de diferentes tipos de microcápsulas 2. Compuestos bioactivos
La importancia de encontrar soluciones adecuadas para proteger a los compuestos bioactivos contra oxidación y reacciones indeseables que impacten directamente sobre la calidad del producto y con ello una disminución de la vida útil, conlleva al estudio del proceso de microencapsulación mediante secado por aspersión, el cual se usa para convertir líquidos en sólidos, para añadir funcionalidades y mejorar la estabilidad oxidativa de ingredientes tales como los que se encuentran presentes en frutas y vegetales.
2.1 Betalaínas
Las betalaínas constituyen un grupo importante de fitoquímicos nitrogenados solubles en agua, las cuales se presentan como dos pigmentos naturales: rojo y amarillo y se localizan en flores, frutos, raíces y tejidos vegetales de las plantas del orden de las Caryophyllales que incluyen entre otras a las cactáceas, betabel, clavel, amaranto y garambullo (Fernández-‐López et al., 2012; Reynoso et al., 1997). Las betalaínas se clasifican como antioxidantes, es decir, compuestos que detienen o retrasan los procesos de oxidación, y exhiben efectos anti-‐tumorales y anti-‐ateroscleróticos (Ravichandran et al., 2013). De la variedad de productos de donde se pueden obtener las betalaínas, el betabel es una fuente rica de
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este tipo de pigmentos, los cuales pueden ser usados como un aditivo natural para alimentos, cosméticos, y productos farmacéuticos (Janiszewska 2014). Su estabilidad se ve afectada por diversos factores como son la influencia del pH, la presencia de luz, el oxígeno, la temperatura, presencia de metales, actividad de agua, ácidos orgánicos, cationes y antioxidantes (Pedreño y Escribano, 2001). Con la finalidad de proteger a las betalaínas contra reacciones indeseables y extender su vida útil, se ha utilizado el proceso de microencapsulación mediante secado por aspersión como una técnica que provee alta productividad, al mismo tiempo que satisface la calidad del producto final. La selección del material encapsulante es un parámetro muy importante en el proceso de secado por aspersión, ya que éstos intervienen directamente sobre la estabilidad del producto, el grado de protección del núcleo activo y la eficiencia del proceso principalmente. Castro-‐Muñoz et al. (2015) estudiaron la microencapsulación de jugo clarificado de tuna morada, en donde se encontró que el rendimiento y las propiedades de las microcápsulas dependen de la relación de agentes microencapsulantes, así como la temperatura, reportándose un valor óptimo de 2.5:7.5 gelatina:maltodextrina. Investigaciones llevadas a cabo por Robert et al. (2015) mostraron que una mezcla de proteína y polisacárido usadas como agentes microencapsulantes en pulpa de tuna, mejoraron la encapsulación de polifenoles y betalaínas. Esto se atribuye a las características catiónicas de las betalaínas (betacianinas y betaxantinas) permitiendo una alta interacción entre las betalaínas y el polímero debido a las interacciones electrostáticas o a los puentes de hidrógeno, éste mismo comportamiento fue reportado por Vergara et al. (2014) en su estudio con pulpa de tuna y extractos ultrafiltrados, en el cual se alcanzó una eficiencia en
encapsulación de betalaínas (betacianinas) de 72.4%. La encapsulación de extracto ultrafiltrado mejoró la estabilidad de las betalaínas en comparación con los extractos de pulpa durante el almacenamiento a 60°C. Este comportamiento se atribuyó a la composición del extracto ultrafiltrado (más bajo contenido de azúcar que el extracto de pulpa y ausencia de mucílago). La hidrólisis fue el principal mecanismo de degradación de las betalaínas durante el almacenamiento, encontrándose que la condición crítica fue la higroscopicidad de las micropartículas. Continuando con el efecto del agente microencapsulante sobre el rendimiento en encapsulación, Sáenz et al. (2009) reportaron valores de 98 y 92% para betacianinas y betaxantinas de pulpa de tuna respectivamente, pudiéndose observar un efecto significativo del agente encapsulante durante el almacenamiento (60°C) en la degradación de las betacianinas únicamente en microcápsulas de extracto etanólico, no así en las de pulpa, sugiriendo que otros componentes de la pulpa como el mucílago juega un papel importante en el proceso de microencapsulación. Además de la relación utilizada, el tipo de agente microencapsulante también es un parámetro substancial, en este sentido Janiszewska (2014) estudió el efecto de dos tipos de agentes microencapsulantes en el secado por aspersión de jugo de betabel como fuente potencial de betalaínas a una sola temperatura de entrada (160°C) y encontró el contenido más alto de pigmento rojo en microencapsulados conteniendo goma arábiga, caso contrario se observó en micropartículas conteniendo maltodextrina. Además con goma arábiga los microencapsulados son más estables en el almacenamiento debido a su baja higroscopicidad en comparación con maltodextrina. La actividad de agua es un factor muy importante en la estabilidad de las betalaínas, el pigmento se vuelve más inestable a medida que aumenta la actividad
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de agua y el contenido de humedad del alimento. Como resultado de distintas reacciones hidrolíticas, un decremento en la actividad de agua corresponde a una menor degradación de betanina, la evaluación de éste parámetro fue estudiada por Pitalua et al. (2010) en donde se reporta que la estabilidad de las betalaínas contenidas en polvos microencapsulados de jugo de betabel así como su actividad antioxidante depende de la actividad de agua (aw) a la cual se almacenan (30°C). Valores menores a 0.21 de aw favorecen la estabilidad de las microcápsulas, aunque a un valor de aw mayor a 0.74 se reportó una mayor actividad antioxidante, no se recomienda ya que las muestras sufren colapso y la microcápsula se disuelve en un periodo corto de tiempo (Pitalua et al., 2010)
2.2 Polifenoles
Los compuestos fenólicos en alimentos y productos nutracéuticos se originan a partir de una de las principales clases de metabolitos secundarios en plantas derivados de fenilalanina y en menor medida en algunas plantas también de tirosina. Químicamente los compuestos fenólicos se pueden describir como sustancias que poseen un anillo aromático que tiene uno o más grupos hidroxilo, incluyendo sus derivados funcionales. Debido a que exhiben efectos que promueven la salud como son reducción de presión arterial y disminución en la incidencia de enfermedades cardiovasculares y cáncer, las frutas y vegetales son excelentes fuentes de fenólicos (Shahidi y Naczk, 2006). La granada (Punica granatum) es una de las frutas comestibles más antiguas conocidas y su contenido fenólico total en jugo se encuentra en un rango de 1808 a 2566 mg/L (Gil et al., 2000), sin embargo éstas moléculas son inestables y en jugo fresco tienen una vida útil muy corta. En este contexto la estabilización de polifenoles para su uso en la industria puede llevarse a cabo usando tecnologías de microencapsulación. Ochoa-‐Martínez et al.
(2011) microencapsularon jugo de granada-‐manzana (75/25), utilizando goma arábiga-‐maltodextrina (80/20, 60/40, 40/60 y 20/80) y encontraron que el contenido de polifenoles se conservó en aproximadamente un 50%, sin embargo la capacidad antioxidante fue muy baja. En estudios llevados a cabo por Robert et al. (2010) utilizando secado por aspersión se reportó que el uso de proteína aislada de soya utilizada como agente microencapsulante mejora la eficiencia de encapsulación de jugo de granada comparada con los valores obtenidos cuando se utilizó maltodextrina. Sin embargo en los resultados reportados por Çam et al. (2014) demuestraron que el uso de maltodextrina de diferentes equivalentes de dextrosa utilizada para microencapsular extracto polifenólico de cáscara de granada no tiene efecto significativo sobre el rendimiento de encapsulación y contenido fenólico durante el almacenamiento a 4°C durante 90 días. Resultados similares fueron observados por Bakowska-‐Barczak y Kolodziejczyk (2011) al microencapsular polifenoles de grosella negra (Ribes nigrum L.), incluso se logró una eficiencia mayor con maltodextrina que con inulina. Usando únicamente maltodextrina como material encapsulante, Saikia et al. (2015) reportaron una eficiencia alrededor de 80% para extracto fenólico de pulpa de Averrhoa carambola, observándose en su mayoría la formación de micropartículas con forma esférica y algunas con superficie rugosa y apariencia hueca. Durante el secado por aspersión, la maltodextrina puede inducir una formación rápida de una superficie vidriosa, lo cual permite la expansión de aire dentro de las partículas favoreciendo el incremento de su diámetro, tal efecto ocurre con un incremento en la temperatura durante el secado. Éste factor ha sido investigado por Krishnaiah et al. (2012) quienes utilizaron un rango de temperaturas de secado de 90 a 140°C para extracto de noni (Morinda citriflora L) reportando que el valor mínimo de temperatura es el óptimo para obtener la
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mayor actividad antioxidante, contenido fenólico y de flavonoides. Santiago-‐Adame et al. (2015) encontraron hasta alrededor de un 60% de conservación de polifenoles al microencapsular infusiones de canela, utilizando maltodextrina como material encapsulante. Finalmente, el uso de ácidos (ascórbico, cítrico, fumárico y málico) en la encapsulación reduce la higroscopicidad de los polvos obtenidos durante el secado por aspersión además de proveer un alto grado de fluidez sin aglomeración (Shahidi y Han, 1993). Además de que se puede favorecer la conservación de los compuestos fenólicos debido a un incremento en la cantidad de ácido ascórbico, debido principalmente a la inactivación de enzimas como polifenoloxidasa en puré de camote morado (Ahmed et al., 2010)
2.3 Carotenoides
Los carotenoides son compuestos liposolubles que se encuentran ampliamente distribuidos en la naturaleza, en el centro de estos compuestos se encuentra un gran número de dobles enlaces que constituyen el cromóforo, el cual les da la capacidad de absorber la luz y determinar la estructura molecular y actividad química (Chacón y Esquivel, 2013). Debido a esta característica estructural, los carotenoides son conocidos por poseer propiedades de atrapamiento de radicales libres, lo que consecuentemente los hace sensibles al oxígeno, luz y calor (Gonnet et al., 2010). Para incrementar la estabilidad de éstos compuestos tanto en el procesado como en el almacenamiento y conservar sus propiedades antioxidantes, se puede recurrir al uso de un método alternativo de empacado como lo es la microencapsulación. Especialmente, los carotenoides son fácilmente vulnerables a tratamientos térmicos y procesos oxidativos debido a que en su estructura poseen un sistema conjugado de dobles enlaces, Aguiar et al. (2012) estudiaron la microencapsulación de licopeno
y encontraron que un incremento en la temperatura de entrada reduce el contenido de carotenoides totales, por lo que una temperatura de 120°C favorece la eficiencia en la encapsulación de este tipo de compuestos. Por otra parte, el tipo de carotenoide determina su estabilidad ante cierto tratamiento, por ejemplo Shen y Quek (2014) realizaron una investigación con astaxantina, un tipo de carotenoide encontrado en animales marinos, y reportaron que al incrementar tanto la temperatura de entrada como de salida provoca una evaporación excesiva de vapor del material encapsulante, causando grietas en la superficie de la microcápsula, lo cual incrementa el riesgo de liberar su contenido hacia la superficie. Por lo que las condiciones térmicas óptimas para formar una cápsula que provea de alto nivel de protección al material encapsulado son temperaturas de 160°C y 70°C de entrada y salida respectivamente. En este mismo sentido, Kha et al. (2010) encontraron un comportamiento similar, es decir, un incremento en la temperatura de entrada (de 120 a 200°C) provoca una pérdida mayor del contenido de carotenoides totales de jugo de gac (Momordica cochinchinensis), y de contenido de β-‐caroteno en jugo de melón (Cucumis melo) en secado por aspersión (Solval et al., 2012)
2.4 Antocianinas
Las antocianinas son colorantes naturales, solubles en agua que se encuentran y se pueden extraer de uvas, berries, col roja, manzanas, rábanos, tulipanes, rosas y orquídeas entre otros (Castañeda-‐Ovando et al., 2009), exhiben distintas propiedades, por ejemplo son compuestos inocuos de fácil incorporación en medio acuoso, lo que los hace de interés para su uso como colorante natural, además poseen actividad antioxidante, la cual juega un papel vital en la prevención de enfermedades cardiovasculares y neuronales, cáncer y diabetes, entre otras
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(Konczak y Zhang, 2004). A pesar del potencial de aplicación que las antocianinas presentan para la industria de alimentos, farmacéutica y cosmética, su uso se limita debido a la alta inestabilidad y bajos porcentajes de extracción (Frank et al., 2012). Después de un proceso de extracción, las antocianinas son altamente inestables y muy susceptibles a degradación por diversos factores como son el pH, temperatura de almacenamiento, estructura química, concentración, luz, oxígeno, solventes, presencia de enzimas, flavonoides, proteínas e iones metálicos (Rein, 2005). Numerosas investigaciones se han llevado a cabo para evaluar el comportamiento de éstos compuestos en procesos que permitan protegerlos contra factores externos, como es el caso de la microencapsulación mediante secado por aspersión, en donde los principales parámetros de proceso que tienen influencia sobre la calidad del producto obtenido son la temperatura de aire de entrada y el agente microencapsulante. Silva et al. (2013) realizaron un estudio que condujo a una optimización simultánea de diferentes agentes encapsulantes y temperaturas para la producción de microencapsulados de antocianinas de jaboticoba (Myrciaria jaboticaba), y encontraron que se alcanza una retención del pigmento mayor al 80% en todas las condiciones experimentales lo cual es importante en términos de producción industrial del pigmento debido a que el extracto de jaboticoba demuestra ser una fuente estable de antocianinas. Por otra parte Ersus y Yurdagel. (2007) reportaron que la más alta concentración de antocianinas de zanahoria negra, se alcanzó en polvos microencapsulados a la menor temperatura experimental (160°C) y que el uso de microencapsulante con el menor contenido de equivalentes de dextrosa disminuyen la posibilidad de una posible deformación estructural durante el procesamiento, manteniendo así protegido al compuesto bioactivo. Además de los factores involucrados
en el proceso de secado por aspersión, la actividad de agua y la temperatura durante el almacenamiento, son parámetros importantes en la estabilidad de antocianinas. Tonon et al. (2010) evaluaron éstos parámetros en polvos microencapsulados de jugo de açai (Euterpe oleracea Mart.) y encontraron que las antocianinas de los polvos producidos exhiben dos cinéticas de primer orden, la primera de ellas con la más alta velocidad de degradación, lo cual puede atribuirse principalmente al material no encapsulado. Al mismo tiempo que un incremento en la temperatura acelera la degradación de antocianinas.
CONCLUSIONES
El uso del secado por aspersión es una técnica ampliamente estudiada para microencapsular compuestos bioactivos presentes en frutas y vegetales. Sin embargo, la mayoría de estos compuestos son muy inestables, por lo tanto el uso eficiente de esta técnica dependerá de una serie de factores como son: la naturaleza del compuesto, los parámetros de secado como temperatura de entrada, velocidad de flujo de alimentación, tipo y concentración de agente microencapsulante; los cuales al ser optimizados permitirán obtener productos microencapsulados de calidad con un alto porcentaje de retención del compuesto de interés, así como un incremento en la estabilidad de dichos compuestos durante el almacenamiento.
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